7.2 万有引力定律 课件 2023-2024学年高一物理人教版(2019)必修第二册(共23张PPT)

(共23张PPT)
第2节 万有引力定律
第七章 万有引力与宇宙航行
太阳对行星的引力使得行星围绕太阳运动，月球围绕地球运动,是否能说明地球对月球有引力作用
抛出的物体总要落回地面,是否说明地球对物体有引力作用 那么自然界中任何两个物体间是否都存在引力？引力的大小和方向能确定吗？
1.了解万有引力定律得出的思路和过程。
2.理解万有引力定律的含义并会推导万有引力定律，记住引力常量G并理解其内涵.
3.会用万有引力定律解决简单的引力计算问题，了解引力常量G的测量在科学历史上的重大意义。
知识点一：科学家们的探索之路
行星的运动是太阳吸引的缘故，并且力的大小与到太阳距离的平方成反比。
在行星的周围有旋转的物质(以太)作用在行星上，使得行星绕太阳运动。
一切物体都有合并的趋势，这种趋势导致物体做圆周运动。
胡克
伽利略
行星的运动是受到了来自太阳的类似于磁力的作用 ，与距离成反比。
开普勒
笛卡尔
牛顿在前人对惯性研究的基础上，开始思考“物体怎样才会不沿直线运动”，他的回答是：以任何方式改变速度，都需要力。行星做匀速圆周运动需要指向圆心的力，这个力应该就是太阳对它的引力。
知识点二：行星与太阳间的引力
1、简化模型：行星轨道按照“圆”来处理
太阳
行星
v
行星做匀速圆周运动时，受到一个指向圆心（太阳）的引力提供了向心力，太阳与行星间引力的方向沿着二者的连线。
F
F’
问题：设行星的质量为 m，速度为 v，行星与太阳间的距离为 r，周期为T，请推导太阳对行星的引力F。
mv2
r
F= ——
解：行星绕太阳做匀速圆周运动的向心力为：
①
v = ——
2πr
T
周期为T与线速度为v的关系：
②
F = ——
4π2mr
T2
②代入①得：
③
2、太阳和行星之间的引力
上式等号右边4π2k为常量，太阳对行星的引力跟行星的质量成正比，与行星、太阳距离的二次方成反比:即 F ∝m/r2 。
由开普勒第三定律： =k 得：T2 ＝，
F = 4π2k
同理行星对太阳的引力跟太阳的质量成正比，与行星、太阳距离的二次方成反比:即：F′ ∝M/r2
代入③得：
由牛顿第三定律知F和 F′的大小相等，因此太阳和行星之间的引力与行星和太阳的质量成正比与距离的二次方成反比
写成等式就是：
F =G
式中量 G 与太阳、行星都没有关系。太阳与行星间引力的方向沿着二者的连线。
至此，牛顿一直是在已有的观测结果和理论引导下进行推测和分析，观测结果仅对“行星绕太阳运动”成立，这还不是万有引力定律。
知识点三：月—地检验
思考：地球绕太阳运动，月球绕地球运动，它们之间的作用力是同一种性质的力吗？
这种力与地球对树上苹果的吸引力也是同一种性质的力吗？
为了验证地面上的重力与地球吸引月球、太阳吸引行星的力是同一性质的力，遵守同样的规律，牛顿还做了著名的“月－地”检验。
1.牛顿的思考
地球对月球的引力、地球对地面上物体的引力若为同一种力，其大小的表达式满足
【理论分析】对月球绕地球做匀速圆周运动，由 和a月＝ ，可得：
R
r
F
对苹果自由落体，由 和
a苹＝ 得：a苹＝______
由r＝60R，可得：a苹(a月)＝______
2.检验过程
【事实检验】请根据天文观测数据（事实）计算月球所在处的向心加速度：
当时，已能准确测量的量有：（即事实）地球表面附近的重力加速度：g = 9.8m/s2，地球半径： R = 6.4×106m，月亮的公转周期：T =27.3天≈2.36×106s，月亮轨道半径： r =3.8×108m≈ 60R
两者十分接近，为牛顿的假想提供了有力的事实根据。 月——地检验表明：地面物体所受地球的引力，与月球所受地球的引力，是同一种性质的力。
知识点四：万有引力定律
1.定律表述：
自然界中任何两个物体都是互相吸引的，引力的方向在它们的连线上，引力的大小跟这两个物体的质量的乘积成正比，跟它们的距离的二次方成反比。
F ＝ G
2.表达式：
（1）m1和m2表示两个物体的质量单位用千克（kg）；
（2）r表示它们的距离单位用米（m）。力的单位用牛（N）
（3）G 是比例系数，叫作引力常量，适用于任何两个物体。
自然界中任何两个物体都是互相吸引的，所以说：万有引力具有相互性、普遍性。另外万有引力还具有宏观性。
(1)可视为质点的两物体间的引力；
4.适用条件
r 指质点和球心间的距离。
r
(2)两质量均匀分布的球体间的引力。
r指的是两球心间的距离。
r
(3)一质量均匀分布的球体和一质点间的引力。
3.对万有引力的理解
揭示了地面上物体运动的规律和天体上物体的运动遵从同一规律，让人们认识到天体上物体的运动规律也是可以认识的,解放了人们的思想,给人们探索自然的奥秘建立了极大信心, 对后来的物理学、天文学的发展具有深远的影响。
5.发现万有引力定律的重要意义:
1686年牛顿发现万有引力定律后，却无法算出两个天体间的引力大小。100多年以后，英国物理学家卡文迪什利用扭秤装置，第一次比较准确地测出了引力常量。
卡文迪什
（1731—1810）
知识点五：引力常量的测定
1.装置的巧妙之处：两次放大及等效的思想 。
（1）扭秤装置把微小力通过杠杆旋转明显反映出来（一次放大）；
（2）扭转角度（微小形变）通过光标的移动来反映（二次放大），从而确定物体间的万有引力。
（3）标准值：G＝6.67259×10－11N·m2/kg2，
通常取G＝6.67×10－11N·m2/kg2 。
2.测定引力常量的重要意义
（1）证明了万有引力的存在；
（2）“开创了测量弱力的新时代” （英国物理学家玻印廷语）；
（3）使得万有引力定律有了真正的实用价值，可测定远离地球的一些天体的质量、平均密度等。
1.火星轨道半径是地球轨道半径的a倍,火星质量约为地球质量的b倍,那么火星与太阳之间的引力约为地球与太阳之间引力的______倍。
2.在牛顿发现太阳与行星间的引力过程中，得出太阳对行星的引力表达式后推出行星对太阳的引力表达式，是一个很关键的论证步骤，这一步骤采用的论证方法是(　　)
A．研究对象的选取 B．理想化过程
C．控制变量法 D．等效法　
D
3、一名宇航员来到一个星球上，如果该星球的质量是地球质量的一半，它的直径也是地球直径的一半，那么这名宇航员在该星球上所受的万有引力大小是他在地球上所受万有引力大小的(　　)
A.0.25倍 B. 0.5倍
C. 2.0倍 D. 4.0倍
C
4. 4月30日，西昌卫星发射中心发射了一圆轨道卫星，其轨道半径为2.8×107m，它与另一颗同质量的同步轨道卫星（轨道半径为4.2×107m）相比（ ）
A. 向心加速度较小
B. 周期较大
C. 线速度较大
D. 机械能较大
C
一、科学家们的探索之路
二、行星与太阳间的引力
太阳和行星之间的引力与行星和太阳的质量成正比与距离的二次方成反比。
三、月—地检验
太阳与行星间、地球与月球间、地球与地面物体间的力是同一种性质的力。
四、万有引力定律
F ＝ G
普遍性、相互性、宏观性
五、引力常量的测定
卡文迪许通过实验测出：G=6.67×10－11 N m2/kg2
意义：证明了万有引力的存在；使万有引力定律有了真正的实用价值。